DE3912946A1 - INDUCTIVE PROXIMITY SWITCH - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungs schalter gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to an inductive approximation Switch according to the preamble of claim 1.
Ein solcher durch die DE-PS 37 14 433 bekannter Näherungsschalter hat die besondere Eigenschaft, bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen, unmagneti schen Nichteisenmetallen (NF) und von ferromagneti schen Metallen (FE) den gleichen Schaltabstand aufzu weisen.Such known by DE-PS 37 14 433 Proximity switch has the special property at the approach of electrically conductive, unmagneti non-ferrous metals (NF) and ferromagneti metals (FE) the same switching distance point.
Bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen Teilen an eine Spule verringert sich die wirksame Induktivi tät, weil aufgrund der durch die magnetische Induktion sich im leitfähigen Teil ausbildenden elektrischen Ströme eine Gegeninduktivität aufgebaut wird. Weiter wird bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen Teilen die Spulengüte wegen der ohmschen Verluste im leitfähigen Teil herabgesetzt. Diese Eigenschaften werden in vielfältiger Weise bei Näherungsschaltern benutzt, indem die Verminderung der Amplitude oder das Aussetzen der Schwingung eines Oszillators durch die Bedämpfung der Sensorspule bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen Teilen als Kriterium für eine entsprechende Annäherung ausgewertet wird. Dabei wird die Veränderung der Schwingfrequenz infolge der durch die Annäherung verringerten Induktivität kaum zur Aus wertung mit herangezogen.When approaching electrically conductive parts the effective inductance is reduced on a coil act because of the magnetic induction electrical ones forming in the conductive part Currents a mutual inductance is built up. Continue is used when approaching electrically conductive Divide the coil quality because of the ohmic losses in the conductive part reduced. These properties are used in a variety of ways with proximity switches used by reducing the amplitude or that Exposing the oscillation of an oscillator to the Damping of the sensor coil when approaching electrically conductive parts as a criterion for a appropriate approximation is evaluated. Doing so the change in the vibration frequency as a result of the approach hardly reduced inductance to the end evaluation with.
Bei der Annäherung von ferromagnetischen Teilen, also von Teilen mit sehr hoher magnetischer Leitfähigkeit, sind die oben beschriebenen aus der elektrischen Leitfähigkeit sich ergebenden Effekte überlagert durch eine Erhöhung der Induktivität als Folge der durch die ferromagnetischen Eigenschaften erhöhten Permeabilität der Spulenanordnung. Auch diese Eigenschaften werden bei Näherungsschaltern benutzt, meist in ähnlicher Weise wie oben beschrieben.When approaching ferromagnetic parts, so of parts with very high magnetic conductivity, are those described above from the electrical Conducting effects superimposed by an increase in inductance as a result of the ferromagnetic properties increased permeability the coil arrangement. These properties too used in proximity switches, mostly in a similar one Way as described above.
Die unterschiedlichen Wirkungen bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen nichtmagnetischen Teilen, also insbesonders von Nichteisenmetallen wie Kupfer, Aluminium usw., im folgenden NF-Metalle genannt, und von ferromagnetischen Teilen, also insbesonders von Eisen-Metallen, im folgenden FE-Metalle genannt, können im Einzelfall gleichgültig sein, insbesondere wenn der Näherungsschalter nur die Annäherungen an stets gleiches Material detektieren soll. Die unterschiedlichen Wirkungen können aber auch nützlich sein, insbesonders wenn die Anordnung weniger zur Detektion einer bestimmten Annäherung verwendet werden soll, sondern vielmehr zur Unterscheidung der angenäherten Teile bezüglich ihres Materiales. Schließlich gibt es auch Fälle, in denen die unterschiedlichen Wirkungen nachteilig sind, insbesondere dann, wenn die Detektion auf einen bestimmten Annäherungszustand unabhängig von den unterschiedlichen Materialien erfolgen soll, was Ziel der vorliegenden Erfindung ist.The different effects when approaching electrically conductive non-magnetic parts, so especially of non-ferrous metals like copper, Aluminum etc., hereinafter referred to as NF metals, and of ferromagnetic parts, in particular of Ferrous metals, hereinafter referred to as FE metals, can be indifferent in individual cases, in particular when the proximity switch only the approximations on should always detect the same material. The however different effects can also be useful be, especially if the arrangement is less for Detection of a certain approximation can be used should, but rather to differentiate the approximate parts in terms of their material. Finally, there are cases where the different effects are disadvantageous, especially if the detection is on a certain approximation state regardless of the different materials should be what goal of the present invention.
Bei dem für diesen Zweck bekannten Näherungsschalter (DE-PS 37 14 433) ist in einer Schwingkreis-Os zillatoranordnung außer dem im wesentlichen die Frequenz bestimmenden Frequenz-Schwingkreis ein Impedanzglied enthalten, und der Impedanzwert dieses Gliedes wird als auslösendes Merkmal verwendet. Dabei sind die Resonanzfrequenz des Frequenz-Schwingkreises und der kritische Impedanzwert des Impedanzgliedes auf die Koordinaten des Schnittpunktes der für jeweils gleichen Schaltabstand sich ergebenden Impedanz/Frequenz-Kennlinie für Auslösung durch NF-Metall einerseits und durch FE-Metall andererseits abgestimmt.In the proximity switch known for this purpose (DE-PS 37 14 433) is in a resonant circuit Os zillatoranordnung besides that essentially the Frequency-determining frequency resonant circuit Impedance element included, and the impedance value of this Limb is used as a triggering characteristic. Here are the resonance frequency of the frequency resonant circuit and the critical impedance value of the impedance element the coordinates of the intersection of each resultant same switching distance Impedance / frequency characteristic for tripping by NF metal on the one hand and FE metal on the other Voted.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Näherungsschalter hinsichtlich Temperaturstabilität, Ansprechempfindlichkeit und kleinerer Bauform zu verbessern.The invention is based, the generic proximity switches with regard Temperature stability, responsiveness and to improve the smaller design.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst. Bei der Erfindung ist ein frequenz- und amplitudenkonstanter, von außen nicht beeinflußbarer Oszillator verwendet, dem über eine nur schwache Kopplung mittels einer Impedanz ein von außen beeinflußbarer Schwingkreis, bevorzugt als Teil eines aktiven, schmalbandigen Band paßfilters, nachgeschaltet ist. According to the invention, this object is achieved by the features of the label of claim 1 solved. In the Invention is a frequency and amplitude constant, an oscillator that cannot be influenced from outside is used, over a weak coupling by means of a Impedance a resonant circuit that can be influenced from outside, preferably as part of an active, narrow-band band pass filter, is connected.
Zum Unterschied gegenüber Näherungsschaltern, die von der Bedämpfung eines Oszillator-Schwingkreises und der dadurch erfolgenden Amplituden- oder Schwingungs zustandsänderung Gebrauch machen, wird erfindungsgemäß ein dauernd mit fester Frequenz und Amplitude arbeitender Oszillator verwendet. Solche Oszillatoren lassen sich mit modernen elektronischen Bauteilen sehr einfach und mit nur geringem Raumbedarf aufbauen, ins besonders, wenn sie durch einen Keramik- oder Quartz schwinger angeregt werden, also z. B. als Quarz oszillator aufgebaut sind. Derartige Oszillatoren zeichnen sich weiter aus durch ein sehr stabiles Betriebsverhalten, d. h. sie schwingen sicher an, ihr Schwingungszustand und die Frequenz bleiben auch unter äußeren Einflüssen wie z. B. Temperatur oder Fremd feldern stabil. Erfindungsgemäß wird also der Oszillator selbst einschließlich seines Schwingkreises nicht von den Annäherungen beeinflußt.In contrast to proximity switches, which are from the damping of an oscillator circuit and the resulting amplitude or vibration make use of the change of state is invented one with a fixed frequency and amplitude working oscillator used. Such oscillators can be done with modern electronic components easy to set up and takes up little space especially if it's through a ceramic or quartz vibrators are excited, e.g. B. as quartz oscillator are built. Such oscillators are further characterized by a very stable Operating behavior, d. H. they swing safely, you Vibration status and the frequency remain below external influences such. B. temperature or foreign fields stable. According to the invention Oscillator itself including its resonant circuit not affected by the approximations.
Die eigentliche Sensorspule, also die Spule, die durch die Annäherungen beeinflußt werden soll, ist Teil eines Schwingkreises, der lose, also im wesentlichen rückwirkungsfrei an den Oszillator angekoppelt ist. Die Impedanz dieses Schwingkreises bei der durch die Oszillatorfrequenz vorgegebenen Frequenz wird dabei als Maß für den Grad der Annäherung einer Auswertstufe zugeführt. Die jeweilige Impedanz des Sensorschwing kreises hängt ab von seiner Dimensionierung und ferner von den durch die Annäherungen hervorgerufenen Änderungseffekten. Bei geeigneter Dimensionierung des Sensorschwingkreises schneidet sich die Impedanz/Frequenz-Kennlinie für eine bestimmte Annäherung von NF-Metallen mit derjenigen für eine gleiche Annäherung von FE-Metallen an einem Punkt, also bei einer bestimmten Frequenz und einer bestimmten Impedanz, im folgenden kritischer Punkt genannt. Wird nun die gesamte Anordnung so dimensioniert, daß die Frequenz am kritischen Punkt mit der Oszillatorfrequenz übereinstimmt und daß der Pegeldetektor bei der Impedanz am kritischen Punkt anspricht, so ist ein Näherungsschalter gegeben, der bei der Annäherung von NF-Auslösern und von FE-Auslösern jeweils beim gleichen Maß der Annäherung anspricht.The actual sensor coil, i.e. the coil that passes through the approximations to be influenced is part a resonant circuit that is loose, that is essentially is coupled to the oscillator without feedback. The impedance of this resonant circuit at the through the The oscillator frequency is the predetermined frequency as a measure of the degree of approximation of an evaluation level fed. The respective impedance of the sensor oscillation circle depends on its dimensioning and further of those caused by the approximations Change effects. With suitable dimensioning of the Sensor resonant circuit intersects the Impedance / frequency characteristic for a specific Approximation of NF metals with that for one same approximation of ferrous metals at one point, so at a certain frequency and one certain impedance, in the following critical point called. Now the whole arrangement is like this dimensioned that the frequency at the critical point agrees with the oscillator frequency and that the Level detector for the impedance at the critical point responds, there is a proximity switch that when approaching NF triggers and FE triggers each with the same degree of approximation appeals.
Für die erfindungsgemäße Anordnung kann es besonders zweckmäßig sein, den Sensorschwingkreis als Teil eines aktiven Bandpaßfilters zu betreiben. Damit wird es möglich, mit sehr schwachen Oszillatorsignalen auszu kommen und das gewünschte Übertragungsverhalten des Bandpaßfilters in weiten Grenzen einzustellen. Die Ansprechempfindlichkeit kann bei gleichzeitiger Ver minderung der Abstandsabweichungen erheblich ge steigert werden.It can be special for the arrangement according to the invention be expedient, the sensor resonant circuit as part of a to operate an active bandpass filter. So it will possible to work with very weak oscillator signals come and the desired transmission behavior of the Bandpass filter set within wide limits. The Responsiveness can be at the same time Ver reduction of the distance deviations significantly ge be increased.
Da die Frequenz des Sensorschwingkreises am kritischen Punkt mit der Oszillatorfrequenz übereinstimmen soll, wird die Grundfrequenz des Sensorschwingkreises, also seine Frequenz im unbeeinflußten Zustand, zwar von der Oszillatorfrequenz abweichen müssen, aber nur wenig. Um die erforderliche Übereinstimmung bezüglich der Frequenz am kritischen Punkt jeweils richtig zu erzielen, kann prinzipiell die Oszillatorfrequenz oder die Grundfrequenz des Sensorschwingkreises entsprechend eingestellt oder bemessen werden. Zur Einstellung der für den Sensorschwingkreis wirksamen Anregungsfrequenz kann die ursprüngliche Oszillator frequenz auch durch einen entsprechenden Frequenz teiler herabgesetzt werden. Because the frequency of the sensor resonant circuit is critical Point should match the oscillator frequency, becomes the basic frequency of the resonant circuit, so its frequency in the unaffected state, from the Oscillator frequency must deviate, but only slightly. To achieve the required agreement regarding the Frequency at the critical point is correct can achieve in principle the oscillator frequency or the basic frequency of the sensor resonant circuit be adjusted or dimensioned accordingly. To Setting the effective for the sensor resonant circuit Excitation frequency can be the original oscillator frequency also by a corresponding frequency divider can be reduced.
Um die erforderliche Übereinstimmung bezüglich der Impedanz am kritischen Punkt und dem Auslösepunkt des Pegeldetektors jeweils richtig zu erzielen, kann prinzipiell der Schaltpunkt des Pegeldetektors oder die Verstärkung des Bandpaßfilters oder, durch Zufügen ohmscher Anteile, die Impedanz des Sensorstromkreises oder aber die Amplitude des Oszillators oder die Impe danz der Kopplung entsprechend eingestellt oder bemessen werden.To achieve the required agreement regarding the Impedance at the critical point and the trigger point of the To achieve level detector correctly in each case in principle the switching point of the level detector or the amplification of the bandpass filter or, by adding ohmic components, the impedance of the sensor circuit or the amplitude of the oscillator or the impe danz of the coupling set accordingly or be measured.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteran sprüchen angegeben und werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:Further features of the invention are specified in the claims Unteran and are explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 3. The drawing shows:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungs gemäßen Näherungsschalters, Fig. 1 is a block diagram of a modern fiction, proximity switch,
Fig. 2 das Diagramm eines typischen Verhaltens von Parallelschwingkreisen bei der An näherung von verschiedenen Materialien auf einen bestimmten Abstand und Fig. 2 shows the diagram of a typical behavior of parallel resonant circuits when approaching different materials at a certain distance and
Fig. 3 verschiedene Möglichkeiten für die An kopplung des Sensorschwingkreises bzw. Bandpaßfilters an den Oszillator. Fig. 3 different options for coupling to the resonant circuit or bandpass filter to the oscillator.
Der in Fig. 1 gezeigte Oszillator 1 kann prinzipiell ein Oszillator jeder Art sein, insbesondere aber auch ein Quarzoszillator. Seine Ausgangsfrequenz kann ent weder unmittelbar zur Ankopplung 3 oder über einen festen oder einstellbaren Frequenzteiler 2 geführt sein. Die Ankopplung 3 kann prinzipiell jeder Art sein, insbesondere aber eine lose Kopplung mittels einer Impedanz, z. B. nach den in Fig. 3 gezeigten Beispielen. An dem am Oszillator 1 unmittelbar oder nach entsprechender Frequenzteilung 2 über die Kopplung 3 vorzugsweise lose angekoppelten Sensor schwingkreis 4 entsteht ein von der Einkopplung und von der jeweiligen Impedanz des Sensorschwingkreises 4 abhängiges Signal, das von einem Pegeldetektor 5 und einer Schaltstufe 6 in das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Näherungsschalters umgesetzt wird. Da die Impedanz des Sensorschwingkreises in bereits beschriebener Weise von der Annäherung 7 abhängig ist, wird das Ausgangssignal des Näherungsschalters ent sprechend der Annäherung ausgelöst.The oscillator 1 shown in FIG. 1 may be an oscillator of any kind in principle, but in particular a quartz oscillator. Its output frequency can be guided either directly to the coupling 3 or via a fixed or adjustable frequency divider 2 . The coupling 3 can in principle be of any type, but in particular a loose coupling by means of an impedance, e.g. B. according to the examples shown in Fig. 3. At the oscillator 1 directly or after corresponding frequency division 2 via the coupling 3, preferably loosely coupled sensor oscillating circuit 4 , a signal is generated which is dependent on the coupling and on the respective impedance of the sensor oscillating circuit 4 and which is output by a level detector 5 and a switching stage 6 Proximity switch according to the invention is implemented. Since the impedance of the sensor circuit is dependent on the approach 7 in the manner already described, the output signal of the proximity switch is triggered accordingly the approach.
Der Sensorschwingkreis 4 kann ein einfacher L-C-Schwingkreis sein, dessen Spule 8 in bekannter Weise als Sensorspule ausgebildet ist. Anstelle dieser einfachen Anordnung kann es aber erfindungsgemäß besonders vorteilhaft sein, den Schwingkreis als Teil eines aktiven schmalbandigen Bandpaßfilters zu be treiben. Dabei werden die Schalteigenschaften be sonders stabil und es kann ein Oszillator mit geringer Leistung verwendet werden.The sensor resonant circuit 4 can be a simple LC resonant circuit, the coil 8 of which is designed as a sensor coil in a known manner. Instead of this simple arrangement, however, it can be particularly advantageous according to the invention to drive the resonant circuit as part of an active narrowband bandpass filter. The switching properties are particularly stable and an oscillator with low power can be used.
Fig. 2 zeigt eine Impedanz/Frequenz-Kennlinie für verschiedene Zustände. Die Kurve I zeigt die Impedanz eines unbeeinflußten Schwingkreises in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Kurve II zeigt den typischen Verlauf beim gleichen Schwingkreis, wenn dieser durch eine Annäherung eines NF-Metalles, also eines elektrisch leitfähigen, nichtmagnetischen Teiles, auf einen bestimmten Abstand beeinflußt ist. Die Resonanz frequenz und der Höchstwert der Impedanz sind durch die Beeinflussung verändert. Kurve III schließlich zeigt den Verlauf bei der Annäherung eines FE-Metalles also eines ferromagnetischen Teiles, auf genau den gleichen Abstand wie bei Kurve II. Bei der gezeigten gleichen Annäherung eines NF-Teiles und eines FE-Teiles ergibt sich ein Schnittpunkt P₀ der beiden Kurven II und III bei der Frequenz f₀ und bei der Impedanz Z₀. Wird nun ein solcher Schwingkreis als Sensorschwingkreis 4 mit genau der konstanten Frequenz f₀ angeregt und wird der Schaltpunkt des Pegel detektors 5 auf den Impedanzwert Z₀ eingestellt, so wird der damit hergestellte erfindungsgemäße Näherungsschalter sowohl bei der Annäherung von NF-Metallen als auch von FE-Metallen beim gleichen Abstand schalten. Fig. 2 shows an impedance / frequency characteristic for different states. Curve I shows the impedance of an uninfluenced resonant circuit as a function of the frequency. Curve II shows the typical course for the same resonant circuit when it is influenced by the approach of an NF metal, ie an electrically conductive, non-magnetic part, to a certain distance. The resonance frequency and the maximum value of the impedance are changed by the influence. Finally, curve III shows the course when an FE metal approaches a ferromagnetic part, at exactly the same distance as in curve II. With the same approach of an NF part and an FE part shown, there is an intersection point P ₀ of the two Curves II and III at the frequency f ₀ and at the impedance Z ₀. If such a resonant circuit is now excited as a sensor resonant circuit 4 with exactly the constant frequency f ₀ and the switching point of the level detector 5 is set to the impedance value Z ₀, the proximity switch according to the invention thus produced becomes both when approaching NF metals and FE -Switch metals at the same distance.
In Fig. 3 sind verschiedene Möglichkeiten für die vorzugsweise lose Ankopplung 3 des Sensorschwing kreises 4 an den frequenzkonstanten Oszillator 1, bzw. soweit vorhanden, zugehörigen Frequenzteiler 2, dargestellt. Fig. 3a zeigt eine einfache kapazitive Ankopplung. Die Sensorspule 8 und der Kondensator 9 bilden den Sensorschwingkreis 4, ggfs. auch als Teil eines aktiven Filters. Der Kondensator 10 bildet die Impedanz der Ankopplung 3 an den Oszillator 1 bzw. den Frequenzteiler 2. Fig. 3b zeigt eine kapazitive Kopplung, bei der der Schwingkreiskondensator 9 in zwei Teile 9 a und 9 b aufgeteilt ist und die Ankopplung dazwischen erfolgt. In Fig. 3c erfolgt die kapazitive Ankopplung mittels des Kondensators 10 als Impedanz auf einen Abgriff der Schwingkreisspule 8. Eine induktive Ankopplung ist in Fig. 3d gezeigt. Dabei wird die Schwingungsanregung induktiv über die magnetische Kopplung der über den Kondensator 10 mit dem Oszillator verbundenen Erregerspule 11 mit der Sensorschwingkreisspule 8 übertragen. In Fig. 3 different ways for the preferably loose coupling 3 of the sensor oscillating circuit 4 are illustrated at the constant frequency oscillator 1, and if present, the associated frequency divider 2. Fig. 3a shows a simple capacitive coupling. The sensor coil 8 and the capacitor 9 form the sensor resonant circuit 4 , possibly also as part of an active filter. The capacitor 10 forms the impedance of the coupling 3 to the oscillator 1 or the frequency divider 2 . FIG. 3b shows a capacitive coupling, in which the resonant circuit capacitor is divided into two parts 9 a 9 b and 9 and the coupling is carried out in between. In Fig. 3c, the capacitive coupling means of the capacitor 10 takes place as an impedance to a tap of the resonant circuit coil 8. An inductive coupling is shown in Fig. 3d. The vibration excitation is transmitted inductively via the magnetic coupling of the excitation coil 11 connected to the oscillator via the capacitor 10 with the sensor oscillating circuit coil 8 .
Die Schwingungsanregung des Schwingkreises kann beim aktiven Bandpaß auch an geeigneter Stelle im Ver stärkerzweig erfolgen.The vibration excitation of the resonant circuit can be active bandpass at a suitable point in the Ver stronger branch.
Claims (10)
- a) daß der Oszillator (1) frequenzkonstant arbeitet,
- b) daß der Oszillator (1) amplitudenkonstant arbeitet,
- c) daß der Oszillator (1) selbst von außen nicht beeinflußbar ist,
- d) daß der Sensorschwingkreis (4) über eine Impedanz (3) an den Oszillator (1) angeschlossen ist und
- e) daß die vom Oszillator (1) an die Impedanz (3) gelieferte Frequenz etwa im Bereich der Eigenfrequenz des Sensorschwingkreises (4) liegt.
- a) that the oscillator ( 1 ) operates at a constant frequency,
- b) that the oscillator ( 1 ) operates with constant amplitude,
- c) that the oscillator ( 1 ) itself cannot be influenced from the outside,
- d) that the sensor resonant circuit ( 4 ) is connected via an impedance ( 3 ) to the oscillator ( 1 ) and
- e) that the frequency supplied by the oscillator ( 1 ) to the impedance ( 3 ) lies approximately in the range of the natural frequency of the sensor resonant circuit ( 4 ).
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